CN101950672B - 可变电容器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可变电容器，包括：输入-输出端子，用于输入交流信号和输出输出信号；以及控制端子，用于控制关于所输入的交流信号的电压的电容量值；其中，连接至所述输入-输出端子的用于输入和输出的外部电极的总面积大于连接至所述控制端子的用于控制的外部电极的总面积，或者连接至所述输入-输出端子的用于输入和输出的外部电极与连接至所述控制端子的用于控制的外部电极的结构不同。

Description

可变电容器

本申请是申请号为200710097924.8、申请日为2007年4月18日、发明名称为“可变电容器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及适用于控制电气设备或电子设备中的电压或电流的可变电容器，具体地，涉及可变电容器的电极结构。

背景技术

近年来，电子技术的便利性和效率性得到了很大发展，并且由IT(信息技术)和AV(影音)设备所代表的电子设备在全球范围内加速扩张。同时，全球环境和地球资源的限制问题强烈突显出来，迫切需要设备的节能技术。

例如，电子设备的电源的效率持续提高，一些开关电源已经达到了90％或更高的高效率。然而，在实际情况中，考虑到成本和噪声，许多低效率电源仍在使用。

此外，即使是高效电源也受输入电源电压的变化、部件的变化、以及负载电流的改变的影响，在例如低功耗的情况下效率会大大降低。

一般来说，电源被设计成在设备的额定负载(功率)时具有高效率。然而，在实际的设备中，运行功率总是不断发生变化，效率也同时发生变化。以电视接收机为例，根据音频输出和屏幕亮度，电视接收机的功率变化很大。换句话说，存在对应于负载电流大小的最佳输入电压。

此外，电源受商用电源电压变化的影响，因而，其在实际操作中具有低于说明的电源效率。无论电源系统是开关调节器系统还是串联调节器系统，这都是存在的。

图6是示出变压器效率的曲线图。例如，一般来说，因为即使在空载时也会产生空载损耗73，所以在空载时变压器具有最小的效率，此后，效率71随着负载电流的增加而上升。然而，负载损耗72以负载电流的平方产生。因此，当电流超过一定范围时，负载损耗72就成为全部损耗中的主要因素，因此，效率71改为降低。

作为实际上没有使用变压器的电源，例如，在如图7所示的利用电容器降低电压的电源中，交流(AC)100V的商用电源81的一端通过电容器82连接至由二极管桥构成的整流电路83的一个输入端。商用电源81的另一端连接至整流电路83的另一个输入端。用于电压调节的齐纳二极管85和平滑电容器86彼此并联连接在整流电路83的一个输出端84a和另一个输出端84b之间。

图7所示的这种不使用变压器的电源直接对商用电源81进行整流，之后，通过形成调节器的齐纳二极管85在输出端84a和84b之间获得稳定的直流电压(DC)。

此时，电容器82预先降低电压，以减轻构成调节器的齐纳二极管85的负荷。

因此，电容器82通常用在低功率的场合中。这是因为随着由电容器82导致的压降，电压与电流不同相，因此不会发生功率损耗。因此，电容器82用在例如用于待机功率的电源中。然而，根据负载变化，该电路的整流输出会发生变化。因此，一般地，对电路进行配置以调整到最大负载，并且在轻负载时通过调节器消耗功率，由此产生稳定的电压。

此外，根据频率和负载电流的变化，电容器82两端的压降会产生很大的变化。因此，电容器82不能够用于涉及高负载电流以及大的负载变化的设备中。因此，在这种情况下，电容器82限用于例如待机功率等几十mW的非常低的功率，。

在通过继电器等进行消耗较高功率的操作时，可以通过与电容器82并联地连接另一个预定的电容器来增加由没有使用变压器的图7所示电源所提供的功率。然而，处理宽的负载范围又要求多个电容器的切换。

理论上可以通过继电器等进行多个电容器的切换，但是考虑到空间和成本以及较慢的响应、切换时噪声的出现、不能连续改变电容量、以及较差的耐用性，这么做是不实际的。因此，需要可以根据负载变化连续改变电容量值的设备。

顺便指出，例如存在使用二极管两端之间的电容作为用于高频电路中的电容器(可以电控制其电容量)的变容二极管。然而，因为变容二极管的电容量值、耐压等不是很适合，所以变容二极管不能用于功率控制。

一般地，通过介电常数、电极面积、以及电极之间的距离来确定电容器(例如包括近年来使用MEMS(微电子机械系统)的可变电容器)的电容量。因此，其有能力控制介电常数、电极面积、以及电极之间的距离中的一个或多个。电容器的电容量的控制(该控制是在MEMS中实际提出的)是通过移动电极来改变电极之间的距离或相对的电极面积的方法。

专利文献1(日本专利公开第Sho 62-259417号)披露了通过向陶瓷电容器施加50V的电压从而改变介电常数来使电容量改变70％的实例。提出改变滤波电路的截止频率或时间常数振荡器电路的振荡频率作为应用。

发明内容

上述电子设备或电子电路中的功率损耗不仅会导致用户所使用的功率和所承担的额外电负荷的增加，而且会导致地球资源的浪费和全球变暖的加速。期望可以将功率损失减到最小。

在使用具有简单电路和低噪声的电源变压器的串联调节器系统中，通过连接至商用电源的电源变压器来将电压降至所需电压，其后通过二极管整流，然后通过大电容量电容器进行滤波。由于整流输出是不稳定的，因此，通过用于控制晶体管端子之间的压降的调节器来稳定电压。

这种情况下的压降为直流压降，并且压降基本上全部转换为热量，使得产生很大的功率损耗。电源变压器和其他部件的特性的变化、负载电流的大小等显著影响必要的压降量。当为电子设备的稳定运行设置容限时，在通常状态下功率损耗急剧增加，在极端情况下会导致30％的效率。

在开关调节器系统中，通过半导体元件的通-断控制来稳定电压。因此，功率损耗较小，并且获得高效率。虽然如此，效率也会根据输入或负载条件而改变，并且在轻负载条件等情况下效率也会降低。因此，期望能够处理较宽的输入范围和负载变化。

因此，对于功率使用，需要具有用于改变电容量的控制端、大的电容量、高耐压、以及允许高电流的可变电容器，以及进一步需要高可靠性。

通常地，在这种可变电容器中，控制电压为常数以及原则上没有电流流过。尽管当控制电压改变时会有瞬时电流流过，但是电流值非常低。这种功率控制设备的一个主要优点在于控制所需的这种最小功率。因此，所需的技术要求在用于控制的电极与用于输入和输出的电极之间存在极大的不同，由此，需要考虑制造中的可靠性和生产率。

考虑到上述问题做出本发明，期望提供一种可变电容器，其能够以低功率损耗和低噪声、低成本、以及高可靠性来控制交流(AC)功率。

在根据本发明实施例的可变电容器的电极结构中，为了增加可允许的电流值，相较于输入-输出电极，将控制外部电极(其中没有电流流过)的尺寸做的更小，从而可以减少昂贵材料的使用量。

如在普通的电容器中，输入-输出端子设置在短边侧，以使得可以使用现有设备。可靠性可能稍低的控制端子设置在长边侧并以单独的工艺制造，使得降低了设备的附加成本。

可选地，通过将两种端子都设置在长边侧，即使是双面的端子结构，不用减小输入-输出外部电极的尺寸，也可以确保可靠性。

此外，关于内部电极，电极之间的距离基本上彼此相等，并且输入-输出电极被夹置在控制电极之间。因此，保持了结构对称，并且获得了稳定的特性。

根据本发明实施例的可变电容器的电极结构，用于内部电极及用于输入和输出的外部电极的规格可以与用于内部电极及用于控制的外部电极的规格不同，因此，易于使可靠性和生产率相互协调。当将控制端子设置在长边侧时，通过减小电极尺寸可以廉价地制造四端子可变电容器。

当将输入-输出端子和控制端子都设置在长边侧时，可以容易地形成从相同端子面上的内部电极到外部电极的连接。因此，可以通过部件方向的很小的变化很容易地对可变电容器进行处理、可以减小电极尺寸、以及可以以低成本制造可变电容器。除了减小电极尺寸之外，还可以使用廉价的镍作为控制电极的材料，减小了电极的厚度。

附图说明

图1A、图1B、图1C、和图1D示出了根据本发明实施例的可变电容器外观和电极的实例，图1A示出了将输入-输出电极设置在短边侧以及将控制电极设置在长边侧的实例，图1B示出了将控制电极和输入-输出电极都设置在长边侧的实例，图1C示出了将控制电极和其中每一个均被分为两部分的输入-输出电极都设置在长边侧的实例，以及图1D示出了将输入-输出电极和其中每一个均被分为两部分的控制电极都设置在长边侧的实例；

图2A和图2B示出了可变电容器的内部电极结构，图2A示出了表示电连接的电路结构，以及图2B示出了内部电极和内部电极到外部电极的连接的叠层结构的实例；

图3A、图3B、和图3C示出了普通叠层陶瓷电容器的结构，图3A为局部剖面透视图，图3B为内部透视图，以及图3C为局部截面图；

图4A和图4B是辅助说明可变电容器的操作实例的示图，图4A为电路图，以及图4B为操作曲线图；

图5是示出在控制电极之间距离较小的情况下的内部电极结构的示意图；

图6是示出变压器的效率的示意图；以及

图7是示出通过电容器降低电压的示意图。

具体实施方式

下文中，将参照附图描述根据本发明实施例的可变电容器的电极最佳模式的实例。

图3A、图3B、和图3C示出了普通叠层陶瓷电容器的结构，图3A为局部剖面透视图，图3B为内部透视图，以及图3C为局部截面图。

一般地，如图3A和图3B所示，通过将交替层叠的多层介电陶瓷53和多层内部电极52相结合来形成叠层陶瓷电容器。通过将作为用于内部电极52的材料的金属细粉末(Pd或Pd/Ag或Ni)制成膏状来制备导电膏。使用导电膏在作为电介质的陶瓷绿带上执行印刷。陶瓷绿带具有用于温度补偿的氧化钛基或锆基，或者具有用作高介电常数基的钛酸钡基。

然后，将多个陶瓷绿带和导电膏层交替地层叠为层叠形式，通过加热和压力接合，以及在减小气压的条件下以高温烧结来将多个陶瓷绿带和导电膏层结合为一体。从而，将介电陶瓷层53和内部电极层52彼此结合为一体。

然后，形成作为用于外部连接端子的端子电极51，其中，端子电极51被从内部电极52引出到外部。从而获得完整的电子部件。如图3C所示，Ni镀层56设置在基部电极55上，且进一步在Ni镀层56的上表面上设置Sn镀层，从而，端子电极51形成镀电极制品54。

图4A和图4B示出了根据本实施例的可变电容器的操作实例。图4A为电路图，以及图4B为操作曲线图。在图4A中，AC输入61连接至可变电容器63的输入端65。可变电容器63的输出端66连接至负载64。可变电容器63的控制端67和68连接至控制单元62。

例如，在图4B(a)的实例中，当增加控制电压时，可变电容器63的介电常数改变，并且可变电容器63的电容量值降低。结果，对于AC输入61，可变电容器63的输入端65和输出端66之间的输入-输出压降69增加，使得施加给负载64的输出电压降低。

在这种可变电容器63的使用中，例如，在灯调光电路或电子设备待机时，可通过降低电路的输入电压来减小待机功率。此时，由于控制器件为电容器，所以电压和电流彼此不同相，因此，原则上不产生功率损耗。

图4B(b)示出了改变吸收AC输入61的电压变化的压降70，从而实现稳定的实例。可以通过检测施加给负载64的电压、将该电压与参考电压进行比较、以及反馈误差电压来实现稳定。

在根据本实施例的可变电容器的主要应用中，可变电容器被设置在电源电路等中，并通过控制电压进行控制来优化电流或电压。因此，几A至几mA的电流在输入-输出电极中流动。因此，需要输入-输出电极具有较低的引起功率损耗并产生热量的等效电阻值、以及高可靠性。

另一方面，由于电压控制的设备工作原理，稳定状态下控制电极中没有电流流过，并且仅在瞬时状态下在控制电极中有电流流过。电流值为几mA至几μA，从而，与输入-输出电极电流值相比非常小。因此，稍微高一些的等效电阻不会存在问题。

因此，在如图1A、图1B、图1C、和图1D所示的用于输入和输出以及用于控制的内部电极和外部电极的结构实例中，电极的形状和排列位置均可以改变。以片式叠层陶瓷电容器为例，图1A、图1B、图1C、和图1D示出了在各个陶瓷绿带上的外部电极和内部电极的形状。

图1A、图1B、图1C、和图1D示出了根据本实施例的可变电容器的外观和电极的实例。图1A示出了将输入-输出电极设置在短边侧以及将控制电极设置在长边侧的实例。图1B示出了将控制电极和输入-输出电极都设置在长边侧的实例。图1C示出了将控制电极和其中每一个均被分为两部分的输入-输出电极都设置在长边侧的实例。以及图1D示出了将输入-输出电极和其中每一个均被分为两部分的控制电极都设置在长边侧的实例。

在图1A、图1B、图1C、和图1D中，在第一行中提供了从上方观看的示意图；在第二行中提供了从侧面观看的示意图；在第三行中提供了从上方观看输入-输出电极a时的示意图；在第四行中提供了从上方观看输入-输出电极b时的示意图；在第五行中提供了从下方观看控制电极a时的示意图；以及在第六行中提供了从下方观看控制电极b时的示意图。

图1A示出了将输入-输出电极(端子)1和2设置在短边侧以及将控制电极(端子)3和4设置在长边侧的实例。如第一行中从上方观看的示意图以及第二行中从侧面观看的示意图所示，控制电极(端子)3和4设置在长边侧，因此，允许高电流值且要求高可靠性的输入-输出电极1和2可具有与普通的叠层陶瓷电容器相同的结构。因此，提供了容易以低成本获得高可靠性的优点。

在第三行中当从上方观看输入-输出电极a时(在相对于第一行中的示意图的水平相反方向上示出输入-输出电极a)的示意图，以及在第四行中当从上方观看输入-输出电极b时(在相对于第一行中的示意图的水平相反方向上示出输入-输出电极b)的示意图中所示的输入-输出电极a(1)和b(2)形成在陶瓷绿带上。如图中的圆圈所示，在左侧或右侧(在短边侧)设置用于外部电极的引出开口5或6。

类似地，在第五行中从下方观看控制电极a时的示意图中以及第六行中从下方观看控制电极b时的示意图中所示的控制电极a(4)和b(3)形成在陶瓷绿带上。然而，控制电极与输入-输出电极不同之处在于其引出开口7和8设置在上侧和下侧上(在长边侧上)。

其上形成有输入-输出电极a(1)和b(2)以及控制电极a(4)和b(3)的陶瓷绿带，和图2B所示的AC电极43和控制电极44的交替层叠一样进行交替地层叠，并且连接至用于外部引出的外部电极45和46。

为了有助于理解，图1A将输入-输出电极a(1)和输入-输出电极b(2)示为不同的电极。然而，当旋转180度时，两个电极相同。对于控制电极a(4)和b(3)来说也是一样的，当旋转180度时两个控制电极是相同的。因此，两个图样(即，用于输入-输出电极的一个图样，用于控制电极的一个图样)满足作为电极形状。

由于控制电极a(4)和b(3)的低允许电流值，因此可以减小引出部7和8的电极尺寸和电极厚度，并且减少诸如钯等的昂贵的贵金属的量。可选地，可以使用诸如镍等的更加廉价的贱金属。

减小厚度不仅减小了材料成本，而且降低了部件高度，从而可以使部件小型化。可选地，通过以相同高度堆叠更多数量的叠层可以增加电容量。尽管图中没有示出，但是可将输入-输出电极设置在长边侧，以及可将控制电极设置在短边侧。

在这种情况下，可以进一步增加输入-输出电极的尺寸，使得进行更加稳定的连接，从而可以提高可靠性。

在该实例中，用于端子安装的端子面的数量是四个，其等于端子数。例如，因此在制造或修理时，操作者难以用镊子等拾起可变电容器。

另一方面，在图1B中，仅在长边侧设置端子面，从而通过输入-输出电极11和13以及控制电极12和14的四个端子可以实现将端子面减少至两个端子面，而不会减小输入-输出电极11和13的尺寸。例如，两个端子面提供了在制造或修理时操作者易于用镊子等拾起可变电容器的制造上的优点。

在该实例中，左侧电极的电极尺寸与右侧电极的不同，并且在左侧电极和右侧电极之间存在热容差。因此，在长边方向上易于出现热量不平衡，并且可能引起诸如一侧高的焊接缺陷。此外，尽管其无极性，也要对这些部件进行定向，因此，存在不能在同一电路图样上以水平相反方向安装可变电容器的可能。

另一方面，通过在长边方向上将输入-输出电极分为两个左侧输入-输出电极和两个右侧输入-输出电极(即，图1C中的输入-输出电极21、22、23、和24)并将这些输入-输出电极平均设置在左侧和右侧，或者在长边方向上将控制电极分为两个左侧控制电极和两个右侧控制电极(即，图1D中的控制电极33、34、35、和36)并将这些控制电极平均设置在左侧和右侧来达到热平衡。因此，提高了焊接的可靠性。

当旋转180度时，图1C中所示的输入-输出电极21和22以及输入-输出电极23和24是相同的。类似地，当旋转180度时，控制电极25和控制电极26是相同的。

当旋转180度时，图1D中所示的输入-输出电极31和输入-输出电32是相同的。类似地，当旋转180度时，控制电极33和34以及控制电极35和36是相同的。

因此，在图1C和图1D的情况下，两个图样(即，用于输入-输出电极的一个图样，以及用于控制电极的一个图样)满足作为电极的形状。从而，在相同的电路图样上可将可变电容器安装在相反方向上。虽然在图1C和图1D的情况中增加了端子数，但当电极的总面积与图1A中的电极总面积相同时，材料成本可保持为与图1A中的材料成本相同。

图2A和图2B示出了根据本实施例的可变电容器的内部电极结构。图2A示出了表示电连接的电路结构。图2B示出了内部电极以及内部电极到外部电极的连接的叠层实例。

在图2A中，AC输入41的一个电极连接至第一层中的一个输入-输出电极ACa1和第二层中的一个输入-输出电极ACa2。AC输入41的另一个电极连接至第一层中的另一个输入-输出电极ACb1和第二层中的另一个输入-输出电极ACb2。

控制输入42的一个电极连接至第一层中的一个控制电极a1、第二层中的一个控制电极a2、以及第三层中的一个控制电极a3。控制输入42的另一个电极连接至第一层中的另一个控制电极b1和第二层中的另一个控制电极b2。

第一层中的一个输入-输出电极ACa1和第一层中的另一个控制电极b1之间的距离Lac等于第一层中的一个控制电极a1和第一层中的一个输入-输出电极ACa1之间的距离Ldc，其中，L表示电介质的厚度。

在图2B中，交替层叠地形成其上形成有AC电极43(其由图2A所示的输入-输出电极形成)的陶瓷绿带、以及其上形成有控制电极44(其由图2A所示的控制电极形成)的陶瓷绿带，并且连接至用于外部引出的各个外部电极46和45。

如图2A所示，在本实施例中，控制电极a1和a3设置在最外围，并且将它们设为相同电位。在本实施例中，控制电极数(5个)比与输入-输出电极(4个)形成对的内部电极数(4对)多一个。

此外，控制电极被设置在输入-输出电极之间的中间位置处，且电介质厚度(dielectric thickness)L与输入-输出电极和控制电极之间的厚度相同。由此，考虑将由控制输入电压42生成的控制电场平均地施加给包括最外围电介质的所有电介质。

因此，可以获得在宽范围内可稳定控制其电容量的可变电容器。由于多个叠层的电介质具有相同的厚度，所以连接至输入-输出电极的输入-输出端子之间的耐压与连接至控制电极的控制端子之间的耐压彼此基本相等。

此外，本发明不限于此，并且可以通过减小控制电极之间的距离来降低控制输入电压42。图5示出了这种情况下内部电极的结构实例。

在图5中，AC输入41的一个电极连接至第一层中的一个输入-输出电极ACa1和第二层中的一个输入-输出电极ACa2。AC输入41的另一个电极连接至第一层中的另一个输入-输出电极ACb1和第二层中的另一个输入-输出电极ACb2。

控制输入42的一个电极连接至第一层中的一个控制电极a1、第二层中的一个控制电极a2、第三层中的一个控制电极a3、以及第四层中的一个控制电极a4。控制输入42的另一个电极连接至第一层中的另一个控制电极b1、第二层中的另一个控制电极b2、第三层中的另一个控制电极b3、以及第四层中的另一个控制电极b4。

因此，每一个输入-输出电极均夹置在两个控制电极之间，从而可以提高控制效率。

第一层中的一个输入-输出电极ACa1和第一层中的另一个控制电极b1之间的距离Lac等于第一层中的一个控制电极a1和第一层中的一个输入-输出电极ACa1之间的距离Ldc1，其中，L表示电介质的厚度。此外，第一层中的另一个控制电极b1和第二层中的一个控制电极a2之间的距离Ldc2为上述距离Ldc1的两倍。

虽然通过以六面体结构的片式电容器为例进行了上面的描述，但可将本发明应用于其他部件形状和端子形状，当然电容器不必为陶瓷电容器，只要可以变化地控制其电容量即可。

本发明不限于上述实施例，并且不需要说明，在不背离本发明精神的情况下，可以适当地改变本发明的结构。

本领域的技术人员应该理解，在本发明的权利要求或等同物的范围之内，根据设计要求和其他因素，可以有多种修改、组合、再组合和改变。

Claims (4)

1.一种可变电容器，包括：

输入-输出端子，用于输入交流信号和输出输出信号；以及

控制端子，用于控制关于所输入的所述交流信号的电压的电容量值；

其中，连接至所述输入-输出端子的用于输入和输出的外部电极的总面积大于连接至所述控制端子的用于控制的外部电极的总面积，

其中，连接至所述控制端子的所述用于控制的外部电极以及连接至所述输入-输出端子的所述用于输入和输出的外部电极均位于所述可变电容器的长边侧。

2.一种可变电容器，包括：

输入-输出端子，用于输入交流信号和输出输出信号；以及

控制端子，用于控制关于所输入的所述交流信号的电压的电容量值；

其中，端子面的总数小于连接至所述输入-输出端子的用于输入和输出的外部电极以及连接至所述控制端子的用于控制的外部电极的端子总数，

其中，连接至所述控制端子的所述用于控制的外部电极以及连接至所述输入-输出端子的所述用于输入和输出的外部电极均位于所述可变电容器的长边侧。

3.根据权利要求2所述的可变电容器，其中，

所述输入-输出端子或所述控制端子由引出到所述可变电容器外部的多个外部电极构成。

4.根据权利要求3所述的可变电容器，其中，

所述输入-输出端子或所述控制端子被构造为使得所述外部电极的热容在所述可变电容器的长边侧和短边侧方向上彼此基本平衡。

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